小議太陽能利用與建筑表皮的設計

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太陽能建筑表皮設計要素

1)建筑表皮設計的技術(shù)要素。太陽能的利用與建筑表皮的結(jié)合，需要考慮幾個技術(shù)要素:負載調(diào)查以及所用電量的估算，從而便于確定系統(tǒng)安裝所需要的安裝容量;綜合當?shù)氐奶鞖鉅顩r和氣候條件，結(jié)合建筑的表皮美觀要求以及節(jié)能方案的特點，確定相關(guān)組件的安裝環(huán)境、角度的設置和系統(tǒng)的背板降溫以及通風狀況的設計，保證系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率;組件的選擇以及數(shù)量的設計、遮擋間距的設計、傾角的設計、組件的連接方式設計以及安裝節(jié)點的設計等等;便于安裝和維護，保證安裝部位的荷載符合結(jié)構(gòu)設計的荷載要求，保證相關(guān)組件的安裝并且不對建筑形成不利影響;系統(tǒng)運行的檢測、評價以及反饋優(yōu)化等設計。

2)美學設計要素。首先，相關(guān)構(gòu)件的幾何形態(tài)與建筑表皮的系統(tǒng)關(guān)系，相關(guān)構(gòu)件的幾何形態(tài)應與建筑的整體觀感和功能的需求，研究相關(guān)構(gòu)件與整體比例以及尺度的協(xié)調(diào)程度，從而達到協(xié)調(diào)統(tǒng)一以及相互融合的對比關(guān)系和效果;其次，相關(guān)構(gòu)件的自身形態(tài)設計，太陽能相關(guān)構(gòu)件的色彩、機理以及構(gòu)造特征和組件的不同排列、組合，實現(xiàn)了不同功能的設計;最后，太陽能構(gòu)件對建筑性能也產(chǎn)生了影響，建筑表皮是太陽能容易聚熱的部位，也是室內(nèi)采光性能較好的區(qū)域，由此在太陽能設備的安裝過程中，應綜合考慮室內(nèi)的采光需求以及建筑熱輻射的影響。

太陽能利用與建筑表皮的設計分析

1)建筑表皮的材料創(chuàng)新。建筑表皮的材料創(chuàng)新是實現(xiàn)能源利用以及建筑節(jié)能的有效方式。同時隨著建筑行業(yè)的持續(xù)發(fā)展和建筑材料的持續(xù)創(chuàng)新，建筑設計當中，溫度感應材料、絕熱玻璃、光電感應材料以及氣凝膠涂材料等建筑材料層出不窮，同時隨著建筑技術(shù)的發(fā)展而處于持續(xù)的發(fā)展和創(chuàng)新，為太陽能在建筑表皮的結(jié)合和利用奠定了發(fā)展的基礎(chǔ)。例如，在長城公社下的“竹舍”這一設計當中，其建筑所使用到的竹材全都來源于長城腳下的竹林，并通過將竹材與現(xiàn)代施工建筑材料當中的玻璃、材料鋼等多種形式進行穿插組合，同時輔以設計手法，創(chuàng)造出來了別有特色的建筑表皮，實現(xiàn)了建筑表皮的創(chuàng)新。

2)太陽能表皮的多層化結(jié)構(gòu)。太陽能利用與建筑表皮結(jié)合的創(chuàng)新多采用兩層技術(shù)，使用的雙層外表皮的圍護結(jié)構(gòu)，是通過適當?shù)恼{(diào)整最外層從而保證室內(nèi)的空間獲得良好的通風以及采光條件，提高室內(nèi)空間的舒適程度，同時也能降低建筑能源的消耗，也在一定程度上解決了自然采光與建筑節(jié)能之間的矛盾。但是雙層結(jié)構(gòu)從生態(tài)上而言具有較好的效果，然而其建筑用材以及相關(guān)建筑的建設材料并不十分環(huán)保，經(jīng)濟性能也相對較差。例如，法規(guī)建筑公司在靠近巴黎的貝桑庫爾所設計的被動式節(jié)能房屋，該房是通過屋頂?shù)奶柲茈姲逄峁┠芰俊＝ㄖ蓛蓪咏Y(jié)構(gòu)構(gòu)成，建筑內(nèi)部是鋼以及落地玻璃，而建筑的外表皮使用的是天然竹材，并將整個框架使用實木板進行包括，將規(guī)格統(tǒng)一且可折疊的百葉窗安裝在落地窗的外部，為房屋提供了陰涼和光照條件。

3)太陽能的利用與建筑表皮結(jié)合。太陽能的光伏電池通過建筑表皮安裝和使用為太陽能與建筑的結(jié)合和應用提供了條件?？蛇x擇斜頂、外墻、平臺等以及相關(guān)構(gòu)件為結(jié)合形式。建筑的斜頂可將原有的屋頂作為一個建筑平臺，而在平臺上的安裝需要特殊的安裝結(jié)構(gòu)作為支撐，外墻由于其自身的結(jié)構(gòu)形式以及較高的能見度，致使其安裝技術(shù)相對而言較為困難。建筑的結(jié)構(gòu)形式涉及多種建筑結(jié)構(gòu)和部件，例如門廊、欄桿扶手、百葉窗以及天窗等多種形式，不同的安裝構(gòu)件需要不同的技術(shù)進行支撐。

a．斜頂。斜頂建筑在住宅當中較為常見，只要建筑朝向是面向南北方向就較為適合安裝太陽光伏電池系統(tǒng)。并且傾斜角度為30°～40°的PV板能獲得最大的太陽能。當前有幾種太陽能光伏電池系統(tǒng):一種是將特殊的屋頂夾固定在屋頂?shù)耐咂?，并沿著垂直方向進行安裝;另一種是使用特殊的金屬板代替普通瓦片，將水平框架安裝在金屬板上。這種安裝方式使電池模板后面與屋頂之間保持一定空隙，從而能解決建筑通風的問題。

b．平頂。平頂PV系統(tǒng)能在支持結(jié)構(gòu)的輔助下確定最佳安裝位置，并且安裝系統(tǒng)的傾斜角度還可以按照特殊的要求以及特殊的位置進行調(diào)整。同時還可以安裝單軸或雙軸系統(tǒng)，從而使PV板能隨著太陽的運動而轉(zhuǎn)向，保持與太陽的最佳角度。具有三種安裝系統(tǒng):首先，可以使用簡單機械原理支撐平頂上的PV系統(tǒng);其次，還可以使用輕型可調(diào)節(jié)式的PV系統(tǒng);最后，還可以使用與建筑屋頂元素與PV系統(tǒng)相結(jié)合的一體化系統(tǒng)。

c．外墻。在建筑的外墻中使用PV板時，不僅能將PV電池模板附著在水泥結(jié)構(gòu)的表面，也可在某種形式上代替當前使用較為廣泛的玻璃幕墻系統(tǒng)。然而，在垂直外墻上直接使用PV系統(tǒng)無法達到最佳的采光效果。雖然在建筑外墻上，尤其是在東西朝向的外墻表面上使用PV系統(tǒng)能獲得一定數(shù)量的太陽能量，但其收集的效果與當?shù)厮幍木S度密切相關(guān)，由此在建筑外墻上使用PV系統(tǒng)需要精確的數(shù)字模型對太陽光的輻射以及陰影位置進行測算和計算，從而使所安裝的系統(tǒng)達到最佳效率。（本文作者：李思 單位：湖北工程學院城市建設學院）